原子核裂變後為何自旋？ 四十年謎團獲解

原子核裂變後，為什麼碎片都是自旋的狀態？這個問題對於改善核能設施的設計具有重要意義，可是已經困擾了科學家四十幾年。最近發表的一份研究說，通過實驗終於找到了答案——這就和像皮筋被拉斷的情形一樣。

一般人們都能理解，一個物體要開始旋轉，必須有個初始的力量才合理。所以科學家一直很困惑，原子核裂變後的各部分為什麼都具有自旋的角動量。

這份研究的主要作者法國巴黎-薩克雷大學（法語：Université Paris-Saclay）的核物理學家威爾遜（Jonathan Wilson）說：「這看起來就像無中生有一樣奇怪。自然在和我們玩魔術。一個不在自旋的物體，分裂後的兩個部分都在自旋。」

以前的研究發現核裂變具有這樣一個過程，原子核內質子互相擠兌使得原子核變得不穩定，加上質子都是帶有正電荷的粒子，它們自然會互相排斥，導致原子核被拉長，分成兩個部分，中間出現一個較窄的瓶頸地帶。當原子核最後被拉斷，兩個部分從瓶頸的地方斷開，快速分離。

在過去幾十年裡，科學界對此主要有兩類的解釋。一類認為這種旋轉的因素是在裂變之前產生的，由於原子核內粒子的彎曲、扭動、傾斜等因素，由粒子的熱激發、量子波動或兩者共同作用出現動能；另一類解釋認為這是在原子核裂變之後發生的，由於碎片內質子間的相互作用力導致碎片自旋。

這份2月24日發表於《自然》（Nature）期刊的研究下結論說，這種自旋是在裂變之後發生的。

沒有參與這份研究的同行、華盛頓大學的核物理學家伯奇（George Bertsch）說：「這是了不起的新數據，對我們了解核裂變過程是個重要的進展。」

這份研究對釷232、鈾238和鐦252等多種不穩定的同位素進行實驗，聚焦於它們裂變之後放射的伽馬射線進行分析。伽馬射線內承載著裂變後碎片的自旋信息。

威爾遜說，如果旋轉是在裂變之前已經出現，那麼兩個部分的旋轉應該是對等的，但是方向相反。「可是我們觀測到的情況不是這樣。」研究人員觀測到每個部分各有自己的旋轉方式，與另一部分無關。他們觀測了多種同位素，情況都是這樣。

研究人員估計，當原子核被拉伸斷裂後，碎片變成淚滴一樣的狀態，也具有表面張力，傾向於變成球形。而這個過程釋放的能量使得碎片升溫和自旋，有點像拉斷一根橡皮筋後，碎片無序亂彈的情形。

威爾遜承認說，他們的理論也是簡化的情形，「能解釋85%不同的情形，但是需要更完善的理論才能做出更準確的預測。」

研究者表示，這項研究不僅解答了幾十年來的謎題，更重要的是有助於科學家未來更好地設計核反應設施。